1 Uvod
Pri sestavu vezja se spajkalna pasta najprej natisne na spajkalno blazinico vezja, nato pa se pritrdijo različne elektronske komponente. Nazadnje se po peči za reflow stopijo kositrne kroglice v spajkalni pasti in vse vrste elektronskih komponent ter spajkalna plošča vezja zvarijo skupaj, da se izvede sestav električnih podmodulov. tehnologija površinske montaže (sMT) se vse pogosteje uporablja v embalažnih izdelkih z visoko gostoto, kot so sistemski paket (siP), naprave ballgridarray (BGA) in napajalni goli čip, kvadratni ploski paket brez zatičev (quad aatNo-lead, imenovan QFN). ) napravo.
Zaradi značilnosti postopka varjenja s spajkalno pasto in materialov bodo po reflow varjenju teh naprav z veliko spajkalno površino luknje v območju varjenja, kar bo vplivalo na električne lastnosti, toplotne lastnosti in mehanske lastnosti izdelka. celo privede do okvare izdelka, zato je za izboljšanje spajkalne paste varilna votlina postala postopek in tehnični problem, ki ga je treba rešiti, nekateri raziskovalci so analizirali in proučevali vzroke BGA spajkalne varilne votline in zagotovili rešitve za izboljšanje, konvencionalne spajke pri postopku varjenja s ponovnim prelivanjem paste območje varjenja QFN, večje od 10 mm2, ali območje varjenja, večje od 6 mm2, primanjkuje rešitve z golimi odrezki.
Za izboljšanje varjene luknje uporabite varjenje s predoblikovanim spajkom in varjenje v vakuumski refluksni peči. Prefabricirane spajke zahtevajo posebno opremo za točenje talila. Na primer, čip je zamaknjen in resno nagnjen, potem ko je čip nameščen neposredno na montažno spajko. Če je čip za pritrditev fluksa reflow in nato točka, se postopek poveča za dva reflowa, stroški montažnih spajk in materiala fluksa pa so veliko višji od spajkalne paste.
Vakuumska refluksna oprema je dražja, vakuumska zmogljivost neodvisne vakuumske komore je zelo nizka, stroškovna učinkovitost ni visoka in problem brizganja kositra je resen, kar je pomemben dejavnik pri uporabi visoko gostote in majhnega koraka izdelkov. V tem prispevku je na podlagi običajnega postopka varjenja s spajkalno pasto razvit in uveden nov sekundarni postopek varjenja z reflowom za izboljšanje varilne votline in reševanje težav z lepljenjem in pokanjem plastičnega tesnila, ki jih povzroča varilna votlina.
2 Tiskanje spajkalne paste, varilna votlina in proizvodni mehanizem
2.1 Varilna votlina
Po reflow varjenju je bil izdelek testiran z rentgenskimi žarki. Ugotovljeno je bilo, da so luknje v varilnem območju svetlejše barve posledica nezadostne količine spajke v varilnem sloju, kot je prikazano na sliki 1
Rentgensko odkrivanje mehurčkov
2.2 Mehanizem tvorbe varilne votline
Če za primer vzamemo spajkalno pasto sAC305, sta glavna sestava in funkcija prikazani v tabeli 1. Talilo in kositrne kroglice so povezane skupaj v obliki paste. Masno razmerje kositrne spajke in talila je približno 9:1, prostorninsko razmerje pa približno 1:1.
Ko je spajkalna pasta natisnjena in nameščena z različnimi elektronskimi komponentami, bo spajkalna pasta podvržena štirim stopnjam predgretja, aktivacije, refluksa in hlajenja, ko gre skozi refluksno peč. Stanje spajkalne paste je tudi različno z različnimi temperaturami v različnih fazah, kot je prikazano na sliki 2.
Referenca profila za vsako področje reflow spajkanja
V fazi predgretja in aktivacije bodo hlapne komponente v talilu spajkalne paste pri segrevanju izhlapele v plin. Hkrati bodo nastajali plini, ko se bo odstranil oksid na površini varilne plasti. Nekateri od teh plinov bodo izhlapeli in zapustili spajkalno pasto, spajkalne kroglice pa bodo tesno kondenzirane zaradi izhlapevanja fluksa. V fazi refluksa bo preostali fluks v spajkalni pasti hitro izhlapel, kositrne kroglice se bodo stopile, majhna količina fluksnega hlapnega plina in večina zraka med kositrnimi kroglicami ne bodo pravočasno razpršeni, ostanek v staljeni kositer in pod napetostjo staljenega kositra sta struktura hamburger sendviča in ju ujamejo spajkalna plošča vezja in elektronske komponente, plin, ovit v tekoči kositer, pa je težko ubežati le zaradi vzgona navzgor. Zgornji čas taljenja je zelo kratek. Ko se staljeni kositer ohladi in postane trden kositer, se v varilni plasti pojavijo pore in nastanejo luknje za spajkanje, kot je prikazano na sliki 3.
Shematski diagram praznine, ki nastane pri varjenju s spajkalno pasto
Glavni vzrok varilne votline je, da zrak ali hlapni plin, ovit v spajkalno pasto po taljenju, ni popolnoma izpraznjen. Vplivni dejavniki vključujejo material spajkalne paste, obliko tiskanja spajkalne paste, količino tiska spajkalne paste, temperaturo refluksa, čas refluksa, velikost varjenja, strukturo itd.
3. Preverjanje vplivnih dejavnikov lukenj za reflow varjenje pri tiskanju spajkalne paste
QFN in testi golih odrezkov so bili uporabljeni za potrditev glavnih vzrokov za nastanek praznin pri varjenju z reflowom in iskanje načinov za izboljšanje praznin pri varjenju z reflowom, natisnjenih s spajkalno pasto. QFN in profil izdelka za varjenje s spajkalno pasto z golimi čipi je prikazan na sliki 4, velikost varilne površine QFN je 4,4 mm x 4,1 mm, varilna površina je pokositrena plast (100 % čisti kositer); Varilna velikost golega čipa je 3,0 mm x 2,3 mm, varilna plast je napršena nikelj-vanadijeva bimetalna plast, površinska plast pa je vanadij. Varilna plošča substrata je bila brezelektrična z nikelj-paladijevim zlatom, debelina pa je bila 0,4 μm/0,06 μm/0,04 μm. Uporablja se spajkalna pasta SAC305, oprema za tiskanje spajkalne paste je DEK Horizon APix, oprema za refluksno peč je BTUPyramax150N, rentgenska oprema pa DAGExD7500VR.
QFN in risbe varjenja golih odrezkov
Za lažjo primerjavo rezultatov preskusa je bilo izvedeno reflow varjenje pod pogoji iz tabele 2.
Tabela pogojev reflow varjenja
Po končani površinski montaži in reflow varjenju je bil varilni sloj zaznan z rentgenskimi žarki in ugotovljeno je bilo, da so bile v varilnem sloju na dnu QFN in golega čipa velike luknje, kot je prikazano na sliki 5.
QFN in hologram čipa (rentgen)
Ker velikost perle kositra, debelina jeklene mreže, stopnja odpiranja, oblika jeklene mreže, refluksni čas in najvišja temperatura peči vplivajo na praznine pri varjenju z reflowom, obstaja veliko vplivnih dejavnikov, ki jih bo neposredno preveril preskus DOE, in število eksperimentalnih skupine bodo prevelike. Treba je hitro pregledati in določiti glavne vplivne dejavnike s korelacijskim primerjalnim testom in nato dodatno optimizirati glavne vplivne dejavnike z DOE.
3.1 Mere lukenj za spajkanje in kroglic spajkalne paste
Pri testu spajkalne paste tipa 3 (velikost kroglic 25–45 μm) SAC305 ostali pogoji ostanejo nespremenjeni. Po reflowu se luknje v spajkalni plasti izmerijo in primerjajo s spajkalno pasto tipa 4. Ugotovljeno je bilo, da se luknje v spajkalni plasti med obema vrstama spajkalne paste bistveno ne razlikujejo, kar kaže, da spajkalna pasta z različno velikostjo kroglic nima očitnega vpliva na luknje v spajkalni plasti, kar ni vplivni dejavnik, kot je prikazano na sl. 6 Kot je prikazano.
Primerjava lukenj iz kovinskega kositra v prahu z različnimi velikostmi delcev
3.2 Debelina varilne votline in tiskane jeklene mreže
Po reflowu smo izmerili površino votline zvarne plasti s tiskano jekleno mrežo debeline 50 μm, 100 μm in 125 μm, ostali pogoji pa so ostali nespremenjeni. Ugotovljeno je bilo, da je bil učinek različnih debelin jeklene mreže (spajkalne paste) na QFN primerjan z vplivom tiskane jeklene mreže debeline 75 μm. Ko se debelina jeklene mreže povečuje, se površina votline postopoma počasi zmanjšuje. Ko je dosežena določena debelina (100 μm), se bo površina votline obrnila in začela povečevati s povečanjem debeline jeklene mreže, kot je prikazano na sliki 7.
To kaže, da ko se količina spajkalne paste poveča, je tekoči kositer z refluksom pokrit s čipom, izhod preostalega zraka pa je ozek le na štirih straneh. Ko se spremeni količina spajkalne paste, se poveča tudi izhod preostalega zraka in takojšnji izbruh zraka, ovitega v tekoči kositer, ali hlapni plin, ki uhaja iz tekočega kositra, povzroči, da tekoči kositer brizga okoli QFN in čipa.
Preskus je pokazal, da se bo s povečanjem debeline jeklene mreže povečal tudi pok mehurčkov, ki ga povzroči uhajanje zraka ali hlapnega plina, ustrezno pa se bo povečala tudi verjetnost brizganja kositra okoli QFN in odrezkov.
Primerjava lukenj v jeklenih mrežah različnih debelin
3.3 Razmerje med površino varilne votline in odprtine jeklene mreže
Testirana je bila tiskana jeklena mreža s stopnjo odpiranja 100%, 90% in 80%, ostali pogoji pa so ostali nespremenjeni. Po reflowu je bila izmerjena površina votline zvarjene plasti in primerjana s tiskano jekleno mrežo s 100-odstotno stopnjo odpiranja. Ugotovljeno je bilo, da ni bilo pomembne razlike v votlini zvarjene plasti pod pogoji stopnje odpiranja 100 % in 90 % 80 %, kot je prikazano na sliki 8.
Primerjava votline različnih odprtin različnih jeklenih mrež
3.4 Oblika varjene votline in tiskane jeklene mreže
Pri preskusu oblike tiskanja spajkalne paste traku b in nagnjene mreže c ostali pogoji ostanejo nespremenjeni. Po reflowu se izmeri površina votline varilne plasti in primerja s tiskovno obliko mreže a. Ugotovljeno je bilo, da ni pomembne razlike v votlini varilne plasti pod pogoji mreže, traku in nagnjene mreže, kot je prikazano na sliki 9.
Primerjava lukenj pri različnih načinih odpiranja jeklene mreže
3.5 Varilna votlina in refluksni čas
Po podaljšanem preskusu refluksnega časa (70 s, 80 s, 90 s) ostali pogoji ostanejo nespremenjeni, luknja v varilnem sloju je bila izmerjena po refluksu in v primerjavi s refluksnim časom 60 s je bilo ugotovljeno, da s povečanjem refluksnega časa se je površina varilne luknje zmanjšala, vendar se je amplituda zmanjšanja postopoma zmanjševala s podaljševanjem časa, kot je prikazano na sliki 10. To kaže, da v primeru nezadostnega refluksnega časa povečanje refluksnega časa vodi do popolnega pretoka zraka ovit v staljenem tekočem kositru, vendar se po tem, ko se čas refluksa poveča na določen čas, zrak, ovit v tekoči kositer, težko ponovno prelije. Refluksni čas je eden od dejavnikov, ki vplivajo na varilno votlino.
Prazna primerjava različnih dolžin časa refluksa
3.6 Varilna votlina in najvišja temperatura peči
Pri preskusu najvišje temperature peči pri 240 ℃ in 250 ℃ in drugih nespremenjenih pogojih je bila površina votline zvarjene plasti izmerjena po ponovnem tečenju in v primerjavi z najvišjo temperaturo peči 260 ℃ je bilo ugotovljeno, da je pri različnih pogojih najvišje temperature peči votlina varjena plast QFN in čipa se ni bistveno spremenila, kot je prikazano na sliki 11. Prikazuje, da različna najvišja temperatura peči nima očitnega vpliva na QFN in luknjo v varilnem sloju čipa, kar ni vplivni dejavnik.
Prazna primerjava različnih najvišjih temperatur
Zgornji preskusi kažejo, da sta pomembna dejavnika, ki vplivata na votlino zvarne plasti QFN in odrezka, refluksni čas in debelina jeklene mreže.
4 Izboljšanje varilne votline pri tiskanju spajkalne paste
4.1DOE test za izboljšanje varilne votline
Luknjo v varilnem sloju QFN in odrezka smo izboljšali z iskanjem optimalne vrednosti glavnih vplivnih faktorjev (refluksni čas in debelina jeklene mreže). Spajkalna pasta je bila SAC305 tipa 4, oblika jeklene mreže je bila mrežastega tipa (100-odstotna stopnja odpiranja), najvišja temperatura peči je bila 260 ℃, drugi preskusni pogoji pa so bili enaki kot pri preskusni opremi. Test DOE in rezultati so bili prikazani v tabeli 3. Vplivi debeline jeklene mreže in časa refluksa na QFN in luknje za varjenje odrezkov so prikazani na sliki 12. Z analizo interakcij glavnih vplivnih dejavnikov je bilo ugotovljeno, da je uporaba jeklene mreže debeline 100 μm in 80 s refluksnim časom lahko znatno zmanjšata varilno votlino QFN in čipa. Stopnja varilne votline QFN se zmanjša z največ 27,8 % na 16,1 %, stopnja varilne votline odrezkov pa se zmanjša z največ 20,5 % na 14,5 %.
V testu je bilo proizvedenih 1000 izdelkov v optimalnih pogojih (100 μm debeline jeklene mreže, 80 s refluksni čas) in naključno izmerjena stopnja varilne votline 100 QFN in odrezkov. Povprečna stopnja varilne votline QFN je bila 16,4 %, povprečna stopnja varilne votline odrezkov pa 14,7 %. Stopnja varilne votline odrezkov in odrezkov se očitno zmanjša.
4.2 Novi postopek izboljšuje varilno votlino
Dejanska proizvodna situacija in preskus kažeta, da ko je površina varilne votline na dnu čipa manjša od 10 %, se med lepljenjem svinca in oblikovanjem ne bo pojavil problem razpokanja v položaju čipa. Procesni parametri, ki jih je optimiziral DOE, ne morejo izpolniti zahtev za analiziranje in reševanje lukenj pri običajnem varjenju s spajkalno pasto, zato je treba stopnjo površine varilne votline čipa dodatno zmanjšati.
Ker čip, prekrit s spajko, preprečuje uhajanje plina v spajki, se stopnja lukenj na dnu čipa dodatno zmanjša z odstranitvijo ali zmanjšanjem količine plina, prevlečenega s spajko. Sprejet je nov postopek reflow varjenja z dvema tiskanjem spajkalne paste: eno tiskanje spajkalne paste, eno reflow ne pokriva QFN in goli čip, ki odvaja plin v spajki; Specifični postopek tiskanja sekundarne spajkalne paste, obliža in sekundarnega refluksa je prikazan na sliki 13.
Ko se spajkalna pasta debeline 75 μm prvič natisne, večina plina v spajkah brez pokrova čipa uide s površine, debelina po refluksu pa je približno 50 μm. Po končanem primarnem refluksu se na površino ohlajene strjene spajke natisnejo kvadratki (da se zmanjša količina spajkalne paste, zmanjša količina prelivanja plina, zmanjša ali odpravi brizganje spajke) in spajkalna pasta z debelino 50 μm (zgornji rezultati testa kažejo, da je 100 μm najboljši, zato je debelina sekundarnega tiska 100 μm. 50 μm=50 μm), nato namestite čip in se nato vrnite skozi 80 s. Po prvem tiskanju in reflowu v spajkah skoraj ni nobene luknje, spajkalna pasta pri drugem tiskanju pa je majhna in varilna luknja je majhna, kot je prikazano na sliki 14.
Po dveh odtisih spajkalne paste, votla risba
4.3 Preverjanje učinka varilne votline
Proizvodnja 2000 izdelkov (debelina jeklene mreže za prvi tisk je 75 μm, debelina jeklene mreže za drugi tisk je 50 μm), drugi pogoji nespremenjeni, naključna meritev 500 QFN in stopnja votline pri varjenju odrezkov je ugotovila, da je nov postopek po prvem refluksu brez votline, po drugem refluksu QFN Največja stopnja varilne votline je 4,8 %, največja stopnja varilne votline odrezka pa 4,1 %. V primerjavi s prvotnim varilnim postopkom tiskanja z eno pasto in optimiziranim postopkom DOE je varilna votlina znatno zmanjšana, kot je prikazano na sliki 15. Po funkcionalnih preizkusih vseh izdelkov ni bilo odkritih nobenih razpok.
5 Povzetek
Optimizacija količine tiskanja spajkalne paste in časa refluksa lahko zmanjša površino varilne votline, vendar je stopnja varilne votline še vedno velika. Z uporabo dveh tehnik varjenja s spajkalno pasto lahko učinkovito in čim bolj povečate stopnjo varilne votline. Območje varjenja golega čipa vezja QFN je lahko 4,4 mm x 4,1 mm oziroma 3,0 mm x 2,3 mm v masovni proizvodnji. Stopnja votline pri varjenju z reflowom je nadzorovana pod 5 %, kar izboljša kakovost in zanesljivost varjenja z reflowom. Raziskave v tem prispevku zagotavljajo pomembno referenco za izboljšanje problema varilne votline velike varilne površine.
Čas objave: 5. julij 2023
